專利名稱：主動(dòng)隔震裝置的控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光刻裝置的技術(shù)領(lǐng)域，且特別是有關(guān)于一種主動(dòng)隔震裝置的控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著大規(guī)模集成電路器件集成度的不斷提高，光刻分辨力的不斷增強(qiáng)，對(duì)光刻機(jī)的特征線寬指標(biāo)要求也在不斷提升。目前，光刻機(jī)已經(jīng)發(fā)展成為幾個(gè)分別減振隔振的獨(dú)立內(nèi)部世界與基礎(chǔ)框架等其它結(jié)構(gòu)的外部世界的結(jié)合體。以光刻機(jī)的工件臺(tái)系統(tǒng)為例，如何使微動(dòng)臺(tái)(Chuck)在曝光過(guò)程中免受工件臺(tái)系統(tǒng)和基礎(chǔ)框架振動(dòng)的干擾至關(guān)重要，需要采用行之有效的方案對(duì)微動(dòng)臺(tái)模塊進(jìn)行減振和隔振。重力補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)就是在此背景下發(fā)展起來(lái)的新型結(jié)構(gòu)，通過(guò)主動(dòng)減振與被動(dòng)隔振結(jié)合的方 式，使工件臺(tái)系統(tǒng)形成一個(gè)獨(dú)立的內(nèi)部系統(tǒng)。在美國(guó)專利文獻(xiàn)(專利號(hào)US6473161B2，
公開日期2002年10月29日)中公開了一種環(huán)形電機(jī)和活塞推桿型的重力補(bǔ)償器裝置。通過(guò)恒壓室壓力經(jīng)活塞推桿傳遞至微動(dòng)臺(tái)并維持其靜態(tài)重力，通過(guò)環(huán)形電機(jī)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)微動(dòng)臺(tái)的垂向位移。該專利方案對(duì)恒壓室氣壓的控制嚴(yán)格，對(duì)空氣壓力傳感器的精度要求很高；另外，環(huán)形電機(jī)的設(shè)計(jì)制造也是一個(gè)技術(shù)壁壘。其中，環(huán)形電機(jī)和活塞推桿型的重力補(bǔ)償器裝置是一體式設(shè)計(jì)，對(duì)應(yīng)的控制策略上比較復(fù)雜。在美國(guó)專利文獻(xiàn)(專利號(hào)US6388733B1，
公開日期2002年5月14日)中公開了一種技術(shù)方案通過(guò)水平面的三個(gè)音圈電機(jī)、大理石平臺(tái)底面的四個(gè)氣囊被動(dòng)隔振系統(tǒng)和四個(gè)垂向音圈電機(jī)將工件臺(tái)大理石模塊隔離成內(nèi)部世界。該方案中其四個(gè)氣囊的材料較為特殊，且橡膠氣囊容易因?yàn)榍昂髩翰钸^(guò)大而影響使用壽命。其中，上述技術(shù)方案中用了四個(gè)垂向音圈電機(jī)，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，相對(duì)的控制策略也較復(fù)雜，而且垂向音圈電機(jī)消耗的功率大， 發(fā)熱量高，由此音圈電機(jī)對(duì)微動(dòng)臺(tái)的控制精度也受到影響。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出一種主動(dòng)隔震動(dòng)裝置的控制系統(tǒng)，其用于工件臺(tái)系統(tǒng)中微動(dòng)臺(tái)的主動(dòng)隔震動(dòng)裝置中，該主動(dòng)隔震動(dòng)裝置中包括空氣重力補(bǔ)償器和音圈電機(jī)，該主動(dòng)隔震裝置的控制系統(tǒng)包括期望位置發(fā)生器，用于產(chǎn)生微動(dòng)臺(tái)在特定方向上的期望位置信號(hào)；比較器，與期望位置發(fā)生器相連接，將所述期望位置發(fā)生器所產(chǎn)生微動(dòng)臺(tái)于特定方向上的期望位置信號(hào)與微動(dòng)臺(tái)于該特定方向上的實(shí)際位置信號(hào)做比較，得到一誤差信號(hào)；控制器，與比較器相連接，將所述比較器得到的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的力信號(hào)；前饋補(bǔ)償器，與控制器相連接， 以接收所述控制器所轉(zhuǎn)換得到的力信號(hào)中的一部分形成一支撐力至空氣重力補(bǔ)償器，由空氣重力補(bǔ)償器支撐微動(dòng)臺(tái)的大部分重力。其中，所述控制器所轉(zhuǎn)換得到的力信號(hào)的另外一部分提供給音圈電機(jī)，以驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)于該特定方向上的運(yùn)動(dòng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比較，由于本發(fā)明采用空氣重力補(bǔ)償器支撐微動(dòng)臺(tái)的重力，而使得音圈電機(jī)僅為微動(dòng)臺(tái)提供定位功能以及提供驅(qū)動(dòng)力以產(chǎn)生加速度使微動(dòng)臺(tái)上升的運(yùn)動(dòng)，這樣的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大大降低了目前音圈電機(jī)需抵抗微動(dòng)臺(tái)的重力所耗散的功率，極大程度地減少了音圈電機(jī)的發(fā)熱量，同時(shí)因音圈電機(jī)僅為微動(dòng)臺(tái)提供定位功能及上升運(yùn)動(dòng)，在一定程度上提高了微動(dòng)臺(tái)的定位精度。
圖 1所示為空氣重力補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2所示為空氣重力補(bǔ)償器與音圈電機(jī)聯(lián)合差動(dòng)布置實(shí)現(xiàn)調(diào)平調(diào)焦隔振功能的分布圖。圖3所示為主動(dòng)隔震裝置的控制系統(tǒng)的示意圖。圖4所示為空氣重力補(bǔ)償器與音圈電機(jī)聯(lián)合差動(dòng)調(diào)平調(diào)焦裝置的定位環(huán)路示意圖。
具體實(shí)施例方式為了更了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實(shí)施例并配合所附圖式說(shuō)明如下。如圖1至圖4，在本發(fā)明主動(dòng)隔震裝置的控制系統(tǒng)，其用于工件臺(tái)系統(tǒng)中微動(dòng)臺(tái) 101的主動(dòng)隔震動(dòng)裝置中，該主動(dòng)隔震動(dòng)裝置中包括空氣重力補(bǔ)償器201和音圈電機(jī)202。 本發(fā)明的主動(dòng)隔震裝置的控制系統(tǒng)采用空氣重力補(bǔ)償器201支撐工件臺(tái)系統(tǒng)中微動(dòng)臺(tái) (Chuck) 101的重力，同時(shí)空氣重力補(bǔ)償器201的氣浮式結(jié)構(gòu)還提供了微動(dòng)臺(tái)(Chuck) 101的垂向(Z向)減振隔振，并具有垂向(Z向)的微調(diào)功能。由于空氣重力補(bǔ)償器201承載了微動(dòng)臺(tái)101的大部分重量，使得調(diào)整垂向高度的電機(jī)功率大大降低，發(fā)熱量大大減小，保證了微動(dòng)臺(tái)垂向納米級(jí)別定位精度。而且，采用了空氣重力補(bǔ)償器201后，使微動(dòng)臺(tái)101在曝光過(guò)程中免受工件臺(tái)系統(tǒng)和基礎(chǔ)框架振動(dòng)(垂向)的干擾，對(duì)微動(dòng)臺(tái)模塊進(jìn)行減振和隔振。在現(xiàn)有技術(shù)中，電機(jī)既為微動(dòng)臺(tái)提供定位功能，同時(shí)又自身提供力支撐并驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)的上升運(yùn)動(dòng)，電機(jī)提供支撐并驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)上升運(yùn)動(dòng)的力包括兩個(gè)部分，其中一部分是提供支撐力支撐微動(dòng)臺(tái)的重力，另外一部分是提供微動(dòng)臺(tái)上升運(yùn)動(dòng)需產(chǎn)生加速度的驅(qū)動(dòng)力。本發(fā)明中由空氣重力補(bǔ)償器201提供支撐力支撐微動(dòng)臺(tái)101的重力，以抵消微動(dòng)臺(tái)101的重力，這樣，本發(fā)明中的音圈電機(jī)202自身不提供支撐力支撐微動(dòng)臺(tái)101的重力， 僅為微動(dòng)臺(tái)101提供定位功能以及提供驅(qū)動(dòng)力以產(chǎn)生加速度使微動(dòng)臺(tái)101上升的運(yùn)動(dòng)，這樣的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大大降低了音圈電機(jī)202由于抵抗微動(dòng)臺(tái)101的重力所耗散的功率，極大程度地減少了音圈電機(jī)202的發(fā)熱量，同時(shí)因音圈電機(jī)202僅為微動(dòng)臺(tái)101提供定位功能及上升運(yùn)動(dòng)，在一定程度上提高了微動(dòng)臺(tái)101的定位精度。如圖1所示，為空氣重力補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)示意圖，空氣重力補(bǔ)償器201主要用于微動(dòng)臺(tái)的靜態(tài)隔振。如圖1所示，空氣重力補(bǔ)償器201位于微動(dòng)臺(tái)101的下方。整個(gè)空氣重力補(bǔ)償器201由底座101固連在外部系統(tǒng)平臺(tái)上，連接法蘭107a和107b通過(guò)焊接方式與波紋管連接在一起形成氣腔。當(dāng)壓縮空氣通過(guò)底座101上的進(jìn)氣口進(jìn)入波紋管腔體內(nèi)時(shí)，由于波紋管108具有彈性而在壓縮空氣作用下產(chǎn)生垂向變形位移。位于連接法蘭107a上方的為導(dǎo)向柱106，用于對(duì)波紋管變形進(jìn)行垂向位置引導(dǎo)。圍繞導(dǎo)向柱106 —周為襯套105，襯套105和導(dǎo)向柱106側(cè)面都加工有高壓節(jié)流孔，使導(dǎo)向柱106和襯套105之間可實(shí)現(xiàn)無(wú)摩擦的相對(duì)位移，襯套105通過(guò)3根支桿109支撐，支桿 109的上端固聯(lián)于襯套105，下端固聯(lián)于底座110。導(dǎo)向柱106的上方固聯(lián)氣浮板103，氣浮板103上布置有高壓節(jié)流孔，用于將止推軸承102浮起，止推軸承102的上端粘接在微動(dòng)臺(tái)101底部，下端面與氣浮板103之間形成氣膜，具有X/Y的運(yùn)動(dòng)自由度，由此，此止推軸承具有在垂向與水平向解耦的功效。由于止推軸承102上部具有柔性鉸鏈的特殊結(jié)構(gòu)，止推軸承具有RX/RY的運(yùn)動(dòng)自由度。 在空氣重力補(bǔ)償器中，止推軸承102、氣浮板103、密封圈104、導(dǎo)向柱106、連接法蘭107以及波紋管108組成運(yùn)動(dòng)模塊；襯套105、支桿109以及底座110組成靜止模塊。其中，運(yùn)動(dòng)模塊使微動(dòng)臺(tái)101具有Z向自由度，止推軸承102和氣浮板103之間形成的氣膜使微動(dòng)臺(tái)101具有X/Y向自由度，止推軸承102的柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)使微動(dòng)臺(tái)101具有Rx/Ry向自由度。圖2所示為空氣重力補(bǔ)償器201與音圈電機(jī)(VCM) 202聯(lián)合差動(dòng)布置實(shí)現(xiàn)調(diào)平調(diào)焦隔振功能的分布圖。如圖所示，3個(gè)空氣重力補(bǔ)償器201a、201b、201c以及3個(gè)音圈電機(jī) (VCM) 202a、202b、202c呈等邊三角形或等腰三角形的分布，從圖3中可以看出，空氣重力補(bǔ)償器201以及音圈電機(jī)202呈分體式分布結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、有利加工制造。在本實(shí)施例中，3個(gè)空氣重力補(bǔ)償器201所形成的質(zhì)心、3個(gè)音圈電機(jī)202形成的質(zhì)心和Chuck微動(dòng)臺(tái)101的質(zhì)心必須在同一點(diǎn)(或盡可能在很小范圍內(nèi))，即形成以質(zhì)心為圓心，R為半徑的圓周上均布的分布方式。本發(fā)明針對(duì)上述的結(jié)構(gòu)以及方法，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制策略，解決了以下的問題 (1)將空氣重力補(bǔ)償器201內(nèi)的伺服閥(未圖示)支撐的重力做為前饋反映給主控回路，使主要的重力由空氣重力補(bǔ)償器201承擔(dān)；(2)提高空氣重力補(bǔ)償器201內(nèi)的伺服閥(未圖示)的控制精度，使得Z向電機(jī)可以進(jìn)行高精度的定位控制。如圖3，對(duì)應(yīng)的控制策略的設(shè)計(jì)如下由期望位置發(fā)生器301產(chǎn)生微動(dòng)臺(tái)101在特定方向上(如Rx向、Ry向或Z向)的期望位置信號(hào)，與模塊305所測(cè)得的微動(dòng)臺(tái)101在該特定方向?qū)嶋H位置的反饋信號(hào)通過(guò)比較器306進(jìn)行比較，所得誤差信號(hào)給控制器302，由控制器302將比較器306產(chǎn)生的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的力信號(hào)，其中分解為兩部分的力信號(hào)， 一部分的力信號(hào)給前饋補(bǔ)償器303，即由前饋補(bǔ)償器303接收控制器302所轉(zhuǎn)換得到的力信號(hào)中的一部分至空氣重力補(bǔ)償器201，以由空氣重力補(bǔ)償器201提供支撐力支撐微動(dòng)臺(tái)的大部分重力，重力補(bǔ)償器201為前饋補(bǔ)償器303的物理實(shí)體部分；另外一部分驅(qū)動(dòng)力信號(hào) 307結(jié)合前述前饋補(bǔ)償器303所提供的支撐力信號(hào)通過(guò)加法器308給控制對(duì)象304，支撐并驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象304(微動(dòng)臺(tái)101)的上升運(yùn)動(dòng)，之后由模塊305測(cè)得微動(dòng)臺(tái)101實(shí)際位置的反饋信號(hào)再重復(fù)反饋給比較器306。此外，上述期望位置發(fā)生器301還可連接至前饋補(bǔ)償器303，即可直接發(fā)送信號(hào)給前饋補(bǔ)償器303，此功能主要用于預(yù)設(shè)一些初始值給前饋補(bǔ)償器303。當(dāng)然，在其他實(shí)施例中，也可不設(shè)期望位置發(fā)生器301連接至前饋補(bǔ)償器303，或在期望位置發(fā)生器301與前饋補(bǔ)償器303連接線上設(shè)有可控制的開關(guān)。圖4是一個(gè)定位環(huán)路，用于定位當(dāng)前的空氣重力補(bǔ)償器與音圈電機(jī)聯(lián)合差動(dòng)調(diào)平調(diào)焦裝置，其用于控制分體式分布的各3個(gè)的空氣重力補(bǔ)償器201與音圈電機(jī)(VCM) 202，使得微動(dòng)臺(tái)可在Rx、Ry及Z向自由度上運(yùn)動(dòng)。
如圖4，模塊501、模塊502及模塊503分別為Z向、Rx及Ry向期望位置發(fā)生器， 各自經(jīng)過(guò)如圖3所述的控制回路，各自輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)至坐標(biāo)轉(zhuǎn)化矩陣510去產(chǎn)生的坐標(biāo)變換信號(hào)，之后解耦，分別得到3個(gè)音圈電機(jī)(VCM)的各個(gè)物理軸的控制信號(hào)524，525，526 以及得到3個(gè)空氣重力補(bǔ)償器的各個(gè)控制信號(hào)533，534，535，以控制3個(gè)音圈電機(jī)及3個(gè)空氣重力補(bǔ)償器內(nèi)的伺服閥(未圖示)運(yùn)動(dòng)。其中，501-Z向期望位置發(fā)生器；502-Rx向期望位置發(fā)生器；503_Ry向期望位置發(fā)生器；504-Z向控制器；505-Rx向控制器；506-Ry向控制器；507-Z向補(bǔ)償控制器； 508-Rx向補(bǔ)償控制器；509-Ry向補(bǔ)償控制器；510-坐標(biāo)轉(zhuǎn)換矩陣；511-音圈電機(jī)及微動(dòng)臺(tái)；512-氣浮驅(qū)動(dòng)器(波紋管108) ；513-坐標(biāo)轉(zhuǎn)化矩陣；514-Z向?qū)嶋H位置；515-Rx向?qū)嶋H位置；516-Ry向?qū)嶋H位置；517-Z向前饋補(bǔ)償力；518-Rx向前饋補(bǔ)償力；519-Ry向前饋補(bǔ)償力；520-微動(dòng)臺(tái)的重力；521-Z向比較器；522-Rx向比較器；523-Ry向比較器；524-物理軸Zl的控制信號(hào)；525-物理軸Z2的控制信號(hào)；526-物理軸Z3的控制信號(hào)；527-物理軸 Zl測(cè)量信號(hào)；528-物理軸Z2測(cè)量信號(hào)；529-物理軸Z3測(cè)量信號(hào)；530-Z軸加法器；531-Rx 軸加法器；532-Ry軸加法器；533-伺服閥1物理軸驅(qū)動(dòng)力；534-伺服閥2物理軸驅(qū)動(dòng)力； 535-伺服閥3物理軸驅(qū)動(dòng)力；536-Z軸主回路重力補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)；537-Rx軸主回路重力補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)；538-Ry軸主回路重力補(bǔ)償節(jié)點(diǎn)。 本發(fā)明采用空氣重力補(bǔ)償器201提供支撐力支撐微動(dòng)臺(tái)101的重力，而音圈電機(jī) 202僅為微動(dòng)臺(tái)101提供定位功能以及提供驅(qū)動(dòng)力以產(chǎn)生加速度使微動(dòng)臺(tái)101上升的運(yùn)動(dòng)， 這樣的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大大降低了目前音圈電機(jī)202需抵抗微動(dòng)臺(tái)101的重力所耗散的功率，極大程度地減少了音圈電機(jī)202的發(fā)熱量，同時(shí)因音圈電機(jī)202僅為微動(dòng)臺(tái)101提供定位功能及上升運(yùn)動(dòng)，在一定程度上提高了微動(dòng)臺(tái)101的定位精度。
權(quán)利要求
1. 一種主動(dòng)隔震動(dòng)裝置的控制系統(tǒng)，其用于工件臺(tái)系統(tǒng)中微動(dòng)臺(tái)的主動(dòng)隔震動(dòng)裝置中，該主動(dòng)隔震動(dòng)裝置包括空氣重力補(bǔ)償器和音圈電機(jī)，其特征在于，該主動(dòng)隔震裝置的控制系統(tǒng)包括期望位置發(fā)生器，用于產(chǎn)生微動(dòng)臺(tái)在特定方向上的期望位置信號(hào)， 比較器，與期望位置發(fā)生器相連接，將所述期望位置發(fā)生器所產(chǎn)生微動(dòng)臺(tái)于特定方向上的期望位置信號(hào)與微動(dòng)臺(tái)于該特定方向上的實(shí)際位置信號(hào)做比較，得到一誤差信號(hào)； 控制器，與比較器相連接，將所述比較器得到的誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的力信號(hào)； 前饋補(bǔ)償器，與控制器相連接，以接收所述控制器所轉(zhuǎn)換得到的力信號(hào)中的一部分至空氣重力補(bǔ)償器，以由空氣重力補(bǔ)償器支撐微動(dòng)臺(tái)的大部分重力；其中，所述控制器所轉(zhuǎn)換得到的力信號(hào)的另外一部分提供給音圈電機(jī)，以驅(qū)動(dòng)微動(dòng)臺(tái)于該特定方向上的運(yùn)動(dòng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動(dòng)隔震裝置的控制系統(tǒng)，其特征在于，其包括分體式分布的空氣重力補(bǔ)償器及音圈電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的主動(dòng)隔震裝置的控制系統(tǒng)，其特征在于，其包括3個(gè)空氣重力補(bǔ)償器及3個(gè)音圈電機(jī)，3個(gè)空氣重力補(bǔ)償器及3個(gè)音圈電機(jī)各自成三角形分布，且所述 2個(gè)三角形的質(zhì)心在同一點(diǎn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的主動(dòng)隔震裝置的控制系統(tǒng)，其特征在于，其包括Z 向、Rx向以及Ry向期望位置發(fā)生器，分別用于設(shè)定微動(dòng)臺(tái)Z向、Rx向以及Ry向的期望位置信號(hào)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種主動(dòng)隔震裝置的控制系統(tǒng)，采用分體式設(shè)計(jì)的空氣重力補(bǔ)償器及音圈電機(jī)，由空氣重力補(bǔ)償器支撐微動(dòng)臺(tái)的重力，而使音圈電機(jī)僅為微動(dòng)臺(tái)提供定位功能以及提供驅(qū)動(dòng)力以產(chǎn)生加速度使微動(dòng)臺(tái)上升的運(yùn)動(dòng)，這樣的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大大降低了目前音圈電機(jī)需抵抗微動(dòng)臺(tái)的重力所耗散的功率，極大程度地減少了音圈電機(jī)的發(fā)熱量，同時(shí)因音圈電機(jī)僅為微動(dòng)臺(tái)提供定位功能及上升運(yùn)動(dòng)，在一定程度上提高了微動(dòng)臺(tái)的定位精度。
文檔編號(hào)F16F15/02GK102193325SQ201010128760
公開日2011年9月21日 申請(qǐng)日期2010年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月19日
發(fā)明者吳立偉, 趙娟 申請(qǐng)人:上海微電子裝備有限公司